电的科学史pdf

电的科学史 内容简介

“电”是现代生活的核心要素，没有了电，我们的生活将很快“陷入瘫痪状态”。每天我们都要按动几十次电源开关，开启现代生活不可缺少的电灯、电脑、手机、洗衣机、热水器等电器设备。然而，我们已经习惯了一年365天随时随地可以接通电源的生活，以至于我们很少思考电是从哪里来的，它如何进入人类社会与我们朝夕相伴，又会如何挥动它的魔法棒为我们变出一个神奇的未来世界。这个世界上懂“电”的罗斯博士，花了10年时间，用一个个栩栩如生的人物、故事、发明、发现，为我们制作了一部跨越两个多世纪的“纸上纪录片”和“电的科学史”。无论你是事事考究的“历史迷”，还是充满好奇心的“科学控”，《电的科学史》都能满足你的“阅读口味”。在《电的科学史》里，你会与众多鼎鼎大名的人物不期而遇，身临其境地感知他们那些伟大的发明、创新与贡献。比如，在雷雨天做风筝实验的富兰克林，改良蒸汽机并启动工业革命的瓦特，发现电磁感应现象的法拉第和麦克斯韦，发明电报和开启现代通信大门的摩尔斯，失败几千次最终发明电灯泡的爱迪生；建立质能方程的天才科学家爱因斯坦，吹响现代环保运动号角的卡森·蕾切尔，雄心勃勃的硅谷钢铁侠埃隆?马斯克等。电不仅在现代生活中扮演了重要角色，在重要的历史事件中也起到了“搅动风云”的作用。从工业革命、大萧条、两次世界大战，到核电站、石油危机，再到全球气候变化、页岩气革命、电动汽车、清洁能源，这些都与电息息相关。

电的科学史 目录

引 言 放飞想象力 / III

第一部分 富兰克林时代 / 1

第1章 富兰克林的风筝实验 / 3

第2章 瓦特的蒸汽机 / 21

第3章 法拉第与麦克斯韦的电磁理论 / 33

第二部分 爱迪生时代 / 53

第4章 摩尔斯的电报 / 55

第5章 爱迪生的电灯泡 / 71

第6章 特斯拉与威斯汀豪斯的交流电 / 87

第7章 英萨尔的电力帝国 / 105

第三部分 大规模时代 / 123

第8章 罗斯福的电力新政 / 125

第9章 胡佛水坝的荣耀 / 147

第10章 利连索尔的田纳西河流域管理局实验 / 165

第11章 “煤炭王”的统治 / 183

第12章 爱因斯坦的质能方程 / 199

第四部分 危机时代 / 217

第13章 艾森豪威尔的“原子能为和平服务”计划 / 219

第14章 蕾切尔·卡森的《寂静的春天》 / 239

第15章 加州电力危机和安然事件 / 255

第16章 电力市场的竞争性改革 / 277

第五部分 坚定信念的时代 / 295

第17章 全球气候变化问题的解决之道 / 297

第18章 乔治·米歇尔的页岩气革命 / 315

第19章 埃隆·马斯克的梦想和历史的教训 / 329

后 记 想象未来 / 351

致 谢 / 357

注 释 / 359

电的科学史 精彩文摘

蜚声国际的科学家

合适的时机和可靠的计划

历史学家、哈佛大学科学史名誉教授伯纳德·科恩（Bernard Cohen）宣称富兰克林是当时“在世的最著名的科学家之一”，理由是富兰克林提出了“第一个令人满意的电学理论”，并且是“这门新科学的主要创造者”。在那个时代，即使简单的沟通也需要通过书信的方式，而且书信寄送需要几天甚至几周的时间。但是，富兰克林在1747—1752年这短短5年的时间里就声名鹊起，主要原因在于，他通过书信向伦敦的彼得·柯林森（Peter Collinson）介绍了自己的电学实验，这不能不令人感到惊奇。

到底是什么让富兰克林从成功的印刷匠转变成世界知名科学家的呢？显然，这样的转变离不开他的学术天赋，但更重要的原因是，富兰克林对时代的需要和关注点有一种敏锐的直觉。在富兰克林时代，“科学”一词的意思是“智慧”，而自然哲学则与今天的物理学相一致。18世纪，最新的实验报告甚至常常被发表在地方性报纸上。做印刷学徒期间，富兰克林通过阅读《旁观者》（Spectator，英国散文家约瑟夫·阿狄生在这份杂志上自豪地宣布，他“把哲学从壁橱、图书馆以及大学院校中解放出来，使其扎根于俱乐部、集会场所、茶桌旁和咖啡屋”）等大众期刊，自学写作。

富兰克林不仅选择了一个合适的时机，还为自己能引起世人关注制订了一个可靠的计划，并逐步把自己培养成今天所谓的“公共知识分子”的形象。他知道，地位低下的英属北美殖民地人民必须得到伦敦的支持，才能有机会成为一个名声在外的科学家。为此，当富兰克林获悉伦敦植物学家、英国皇家学会会员彼得·柯林森正在物色“英属北美殖民地门徒”时，他立刻写信与柯林森取得联系。后来，柯林森向伦敦的英国皇家学会介绍了富兰克林的电学实验。

向牛顿定律发起挑战

1687年，艾萨克·牛顿的名著《自然哲学的数学原理》正式出版，比富兰克林出生的时间早19年。牛顿的另一部经典著作《光学》，出版于1704年。这两部作品从本质上看是不一样的，对富兰克林影响更大的是后者。《光学》对富兰克林来说比较容易阅读，因为它是用英语写成的，而不是拉丁语。但是，科恩认为更重要的原因是这部著作“致力于描述设计完美、操作简单的实验”。富兰克林的研究与《光学》都非常关注实验，两者的基本特性也是一致的。牛顿在《自然哲学的数学原理》中指出，万有引力是质量的函数，而与物质的类型无关。《光学》却与这一观点形成了鲜明的对比，因为它非常关注物质的具体类型，以及材料是否导电、有磁性。富兰克林的研究与《光学》具有相同的特点，正如科恩指出的，富兰克林是“信奉牛顿学说的实验科学家”。

富兰克林在科学研究方面一直恪守英国皇家学会的箴言：“不盲目相信任何人。”也就是说，自然法则应该通过实验来发现，而不是想当然。这种凡事讲求实验证据的态度，是牛顿等人发起的科学革命的基础。电学研究是摆在他们面前的一个巨大考验，因为人们很有可能会坚守牛顿的著名发现，而不愿意接受一种不同的新观点。但是，这些大胆的电力科学家并没有畏缩不前，而是勇敢地面对引力和电力之间的差异，即使困惑不解也不退缩。牛顿的万有引力定律描述的是天体之间的吸引力，而电力不仅包括吸引力，还包括排斥力。他们必须解释吸引力和排斥力为什么可以共存，这是前所未有的一个新任务。富兰克林给柯林森写信的目的，就是要解释其中的原因。

巧妙的电学实验

1747年5月25日和7月28日，富兰克林先后给柯林森写了两封信，解释他的电学基本理论。整个理论建立在平衡概念的基础之上。当一个物体（如琥珀或玻璃管）中有正常数量的“带电物质”或“电流体”时，物体就会处于正常状态，既不会吸引也不会排斥其他物体。然而，如果物体中的电流体数量减少或者增加，这种平衡将会被打破，物体就会“有电”。富兰克林对这些不平衡状态进行了定义：电流体数量增加的物体带正电，电流体数量减少的物体带负电。这套理论关注的重点是单一类型的带电物质或电流体的再分布情况。

最重要的是，富兰克林的理论解释了吸引力和排斥力。分别带正电和带负电的两个物体或两种材料彼此接近时，就会产生吸引力。也就是说，我们可以认为电流体与爱情一样，具有异性相吸的特点。相反，如果把两个带正电或者两个带负电的物体放在一起，它们就会相互排斥，即同性相斥。富兰克林的理论有时也被称为单流体理论。为了证明这套理论，他设计了一些简单而巧妙的实验。其中一些实验甚至给人一种玩室内游戏的感觉，因为这些带正电或带负电的实验对象都是活生生的人。在一个实验中，甲用丝绸摩擦玻璃，然后把这块带静电的玻璃递给乙；当乙拿到玻璃的时候，可以观察到火花飞溅的现象。